碗窑水庫大壩滲流分析

唐素娟，周剑雄

（1．碗窑水库管理局大坝管理站，浙江江山324100；2．水利部农村电气化研究所，浙江杭州310012）

碗窑水庫大壩滲流分析

唐素娟1，周剑雄2

（1．碗窑水库管理局大坝管理站，浙江江山324100；2．水利部农村电气化研究所，浙江杭州310012）

在渗流监测资料分析的基础上，分析了碗窑水库大坝渗流的安全状况。分析结果表明：碗窑水库大坝坝基扬压力小于设计值；局部存在一定渗流异常，但目前尚不影响大坝安全，大坝渗流安全性态总体良好。建议加强大坝巡视检查，尤其是在高水位下的渗流观测，及时对观测资料进行整编分析，保障工程安全。图5幅，表1个。

水库；渗流观测；渗流分析；计算

1 工程概况

碗窑水库位于浙江省江山市碗窑乡碗窑村，主要由碾压混凝土重力坝、引水压力钢管、发电厂房、浆砌块石副坝和灌溉渠系等建筑物组成。坝体采用“金包银”式碾压混凝土结构，主坝坝顶高程196.24m，最大坝高79.00m，坝顶长390.0m，宽8.5m，坝顶上游侧设有钢筋混凝土防浪墙。总库容2.23×108m3，正常高水位194.24m，相应库容2.08×108m3，是1座以灌溉为主，结合供水、发电、防洪等综合利用的大（2）型水利工程。

水库自蓄水投入运行以来，蓄水位逐年抬高，2010年5月23日库水位达194.79m，为历史最高水位，经检查观察，无变形异常情况出现，但渗流状况存在缺陷。大坝的渗流性态一度引起了上级主管部门和专家的重视，曾经多次处理，虽然取得了一定的成效，但并未最终解决。

2 大坝渗流观测资料分析

2.1 坝基扬压力观测资料分析

通过对布设在不同位置的坝基扬压力测点的观测资料来看，纵向上各测孔水位分布都呈两岸坡高、中间低的形状。其主要原因是两岸坡的地下水位较高，另外，在雨水季节降水入渗也使得岸坡地下水位抬高，从而岸坡的扬压力孔水位也相应升高。横向上，由于随着渗径的延长，渗透压力逐渐减小，基本呈上游向下游逐步降低的变化规律。

根据扬压力孔水位资料计算在各坝块坝基扬压力测孔的最大扬压力系数，并进行特征值（最大值、最小值、均值、变幅）统计，然后绘制扬压力系数纵向分布图（见图1）。由此可见，两岸U2、U3、U8、U9、U10尤其是低温季节，扬压力系数比较大，其原因主要是两岸坡的扬压力系数受两岸地下水的影响较大；再者该部位的地质条件较差，存在大的裂隙，对大坝的稳定不利；建议加强观测和及时分析，必要时采取工程措施。其他坝段测孔的扬压力系数相对较小，均小于规范允许值，这表明河床坝段现有的防渗帷幕和排水设施运行情况良好。

2.2 大坝渗漏量观测

坝体、坝基的渗漏量观测结果如下所示（见图2）。一方面，上游库水位是影响坝体渗漏量变化的主要因素，与库水位相关系数为0.469，当库水位超过180.00m时坝体渗漏量增加较大。坝体最大渗漏量为1.158L／s。坝体渗漏量偏大，与库水位的相关性较好，其原因主要与大坝上游防渗面板的抗渗等级较低、碾压混凝土层面胶结差等有关。同时，也反映出坝体上游防渗体系和坝体排水系统存在缺陷。坝体渗漏量时效分量有逐渐上升趋势，且长期渗漏对碾压混凝土层面的抗滑稳定非常不利；另一方面，坝基渗漏量主要受上游库水位影响（与库水位相关系数为0.616，相关性较高），其次受温度和降雨量的影响。其中，在低温且降雨量较多的季节，库水位又较高的工况下，往往坝基渗漏量达到年内最大，为3.219L／s。

图1 坝基扬压力系数纵向分布

时效对坝基渗漏量影响虽较小，但坝基渗漏量时效分量有逐渐上升趋势，影响大坝稳定。

图2 大坝渗漏测值过程线

2.3 绕坝渗流观测

为监测大坝两坝肩的绕坝渗流，本工程共布置绕坝渗流观测孔14只。左右岸各7只，其中左、右岸帷幕前各布置1只，绕坝渗流孔于1998年12月完成安装，1999年2月开始观测（见图3）。

图3 绕坝渗流测点SA8过程线

对绕坝渗流观测资料进行分析，得到如下结论：

（1）降雨量变化对绕坝渗流测孔水位有重要影响。降雨量增大，地下水位升高，测孔水位随之升高；降雨量减小，地下水位降低，测孔水位也随之降低。测孔水位的变化较降雨量有滞后过程。

（2）库水位变化对绕坝测孔水位有一定的影响。库水位上升，测孔水位升高，反之，库水位下降，测孔水位也下降。

（3）左、右岸两坝头的测孔SA1、SA2和SA15的孔水位普遍超过上游水位。这主要是这些测孔的孔水位除了受上游库水位和降雨的影响外，还受两岸地下水位的控制。

（4）相对接近大坝的右岸SA11、SA8和左岸的SA5水位与库水位相关密切，且接近库水位。这主要是两岸多组节理（左岸主要有6组，右岸有4组）发育，以及右岸F7、F10张性断层横穿坝头，断层胶结差，下游山体单薄等因素造成坝肩绕渗。

3 坝体渗流计算分析

计算建模采用Darcy各向异性等效连续体模型，建模计算范围为：X方向以坝轴线为坐标原点，上游和下游分别截取约1.5倍坝高；Z方向以高程为坐标，参考防渗帷幕的深度，坝基截取约1.5倍坝高。5号溢流坝段离散后共划分了3180个节点，2117个六面体八节点单元。6号非溢流坝段离散后共划分了3278个节点，2181个六面体八节点单元（见图4、图5）。根据材料特性，将6号非溢流坝段以及5号溢流坝段与坝基共划分为坝体、上游防渗面板、基岩以及防渗帷幕等4个材料区域。排水帷幕作为等效介质考虑；排水孔布置在单元的节点上，采用以点代井的方法，作为给定水头（运行水位193.25m）的第一类边界点处理。

图4 6号非溢流坝段的有限元网格

图5 5号溢流坝段的有限元网格

具体计算分反演和正演两个过程，首先基于坝体实测的测压管水位和相应的渗流量，反演分析了大坝193.25m水位时的坝体与坝基渗流场，得到了坝体碾压混凝土、防渗面板、基岩以及防渗帷幕等材料的渗流参数。然后利用反演得到的参数正分析了6号非溢流坝段和5号溢流坝段在正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位时的坝体与坝基渗流场。经计算，6号非溢流坝段与5号溢流坝段在正常蓄水位、设计洪水位以及校核洪水位3种工况下的扬压力系数如下所示（见表1）。

表1 计算得到的各断面的扬压力系数

计算结果表明，非溢流坝段坝体的渗流逸出点高程高于溢流坝段的渗流逸出部位，其中溢流坝段的渗流逸出部位较低，位于挑流鼻坎附近。2个坝段的渗流逸出点与现场检查的情况较吻合。

本工程坝基处理时在轴下2.5m设置了防渗帷幕以及排水孔，并在轴下23.0m处设置了基础排水廊道，在轴下40.0m处还设有半圆形的无砂混凝土排水管，采取了抽排措施。对照《混凝土重力坝设计规范》（SL319—2005），河床坝段的扬压力系数可取为0.20～0.25，岸坡坝段的扬压力系数可取为0.35。由此可见，河床典型坝段的坝基扬压力系数均低于设计值。

与此同时，由于碗窑水库主坝施工时，坝体上游面采用的是S6与S8防渗等级的常态混凝土。按照中华人民共和国水利行业标准《碾压混凝土坝设计规范》（SL314—2004），碾压混凝土坝上游面所设防渗层的抗渗等级的最小允许值为S8。由此可见，碗窑水库的渗水较多与上游防渗面板的抗渗等级较低有关。

4 结论与建议

依据碗窑水库坝基扬压力、渗漏量及绕坝渗流等观测资料，系统分析了其变化规律，然后基于坝体渗流实测资料的三维有限元反演计算了坝体主要筑坝分区材料的渗透性参数，正演计算了大坝在各种工况下的渗流状态。计算结果显示大坝渗流性态总体正常，非溢流坝段坝体的渗流逸出点高程高于溢流坝段的渗流逸出部位，两个坝段的渗流逸出点与现场检查的情况较吻合。表明计算模型合理，结果可靠。

观测结果显示部分测压管水位较高、渗漏量有时效缓慢增大等薄弱环节，主要是由于设计、施工时尚无规范可循，大坝防渗设计指标偏低、施工经验差等造成的，建议加强观测，并及时分析，确保工程安全。

责任编辑 吴 昊

2015－03－12

唐素娟（1974－），女，工程师，主要从事水利工程运行管理工作。